自動沖壓加工單元設計
2016-11-11 來源：佛山職業技術學院 作者：馮安平。羅庚興
摘要：根據柔性生產線自動沖壓加工要求，自動沖壓加工裝置由機械手、控制柜和沖壓加工臺等構成，機械手從輸送帶搬運工件，由沖壓加工臺進行沖壓加工．再由機械手將成品工件放回輸送帶。控制系統以S7—200PLC為核心，絲桿螺母機械手由步進電機驅動．沖壓加工裝置由氣動回路驅動，實現了沖壓加工單元自動上下料、沖壓加工和檢測等功能。
關鍵詞：PLC；沖壓；機械手：電氣控制；氣動控制
1. 自動沖壓加工單元的結構和工作原理
自動沖壓加工單元的結構示意如圖l所示。系統主要由機械手和沖壓加工模塊兩部分組成。
圖1 自動沖壓加工單71；結構圖
1．步進電機2．升降氣缸3．手指氣缸4．沖壓氣缸5．對射傳感器S3
6．上料氣缸7．電感傳感器s4 8．電容傳感器S5 9．定位氣缸
機械手主要由傳動臂、升降氣缸、手指氣缸和檢測開關等組成。其主要作用是將運料小車中的待沖壓工件搬運到沖壓工作臺．沖壓完成后．又將工件送回小車中。
沖壓加工模塊主要由上料氣缸、沖壓氣缸和檢測傳感器等組成。其主要作用是完成工件的沖壓加工。此外還有定位氣缸、電容傳感器等裝置。當電容傳感器檢測到運料小車來到，定位氣缸動作。阻擋小車前進。沖壓好的工件放回后。定位氣缸復位．允許小車前進。
2.氣動控制回路設計
自動沖壓加工單元的氣動控制回路如圖2所示。氣動系統由氣動三聯件、電磁閥、節流閥和各種氣缸組成。電磁閥均采用二位五通單電控．線圈電壓24VDC。電磁閥2V型號為SY5120—5DZ—C8．其余電磁閥型號為SY5120—5DZ一叭。手指氣缸型號為MHZ2—16D，沖壓氣缸型號為CDQ2832—100DM．上料氣缸和升降氣缸型號為CXSMl0—100．定位氣缸型號為CDUl0—50D。為了使各執行元件運動平穩．各氣缸的2個氣口裝有單向節流閥．型號為AILll020F—M5。氣缸磁性開關(3S1、3S2、5S1、5S2)型號為D—Z73L，手指氣缸、沖壓氣缸和定位氣缸上不用位置檢測開關。
圖2 自動沖壓加工單元氣動控制回路
3.電氣控制系統設計
3．1 PLC選型與I／O接口分配
PLC是機器人組裝單元的核心控制器。根據控制要求分析．PLC有13個開關量輸入信號、6個開關量輸出信號和1個高速脈沖輸出信號。輸入輸出信號的具體作用和地址分配如表1所示。選用西門子S7 CPU226型PLC．24點直流輸入，16點繼電器型輸出．2路獨立的20 kHz高速脈沖輸出，完全可以滿足控制要求。
傳動臂超行程．故障繼電器K01動作，切斷步進驅動器電源，步進電機停止運行，同時發出報警信號。
表1 自動沖壓加工單元PLC的I／O地址分配表
3．2運動控制
(1)機械手運動軌跡
機械手運動軌跡如圖3所示．機械手復位后位于原點D，右限位處。系統啟動后，若為正品，則機械手的運動軌跡如下：D—咀一曰一0；若是次品，則機械手的運動軌跡如下：D刊_日一nD。其中，D點是取放工件位．A點取放待沖壓工件位．B點檢測沖壓后的工件位．C點次品收集位。D點是沖壓工作點。抓放靠機械手實現，直線運行軌跡用步進電機實現。
圖3機械手直線運動軌跡平面圖
運動控制系統由1臺兩相混合式6線步進電機和1臺等角度恒力矩細分型驅動器組成。步進電機型號為BS57HB56—03．步距角均為1．80．額定電流3．0 A．保持力矩0．9 Nm。驅動器驅動型號為Q2HB44MC，電壓DC24—80 V．最高200細分．細分數1～200，驅動電流從0．5～4 A／相連續可調．
(2)運動控制參數計算
設移動速度為25 mm／s；絲桿螺距為10 mm／r：步進驅動器分辨率設置為4 000 p／r，CPU的高度脈沖輸出采用PTO單段流水工作方式。QO．0輸出。控制字節SMB67=16#85，表示允許PTO輸出．單段管式，周期單位斗s，允許PTO脈沖更新，允許更新周期值。
由圖3及上述公式可以計算出各段運動軌跡的脈沖數(SMD72)和運動方向(QO．1)，如表2所示。
表2機械手運動軌跡參數表
*-0表示從任意位置返回原點。
3．3 PLC控制程序
自動沖壓加工單元控制功能分為復位控制和自動控制2種。復位控制一般系統重啟后．電磁閥均不得電。手指松開，其余氣缸均為收回狀態。因此復位操作僅僅對機械手而言。若初始時機械手不在原點(右限位S1)。此時，按下復位按鈕SB3，機械手向右運動，直到右限位S1閉合。
自動控制機械手在原位D點。按下啟動按鈕SBl，若運料小車來了，小車定位氣缸彈出，阻止小車前進。同時機械手下降，抓取工件后上升。機械手將工件搬運到A點放下后上升。上料氣缸動作，將工件從A點推送到D點．然后沖壓氣缸動作，進行沖壓加工。沖壓完成后。上料氣缸將工件送回A點。機械手從A點抓取工件移動到B點，進行檢測，若為正品，則將正品移動到0點，放回運料小車，然后復位定位氣缸。若為次品，則將次品移動到C點，放到次品回收槽．同時復位定位氣缸。機械手返回原點D點進入下一工作循環。按下停止按鈕SB2．機械手在完成當前工作循環后。自動停止。
自動沖壓加工單元的工藝流程如圖4所示。初始化操作用于設置Q0．0控制字節SMB67，設置機械手的移動速度(脈沖周期SMW68)，允許中斷等。
機械手轉移可以編寫子程序和中斷控制程序來實現。通過修改不同運動軌跡下的參數。實現Q0．0脈沖輸出數量和步進方向的改變。
圖4 自動沖壓加工控制流程圖
4.結語
采用PLC結合步進驅動系統對沖壓加工單元進行自動控制，既有效實現了上下料、沖壓和檢測的邏輯控制．又實現了機械手對沖壓工件的精確抓取。控制系統在EAPSl00型柔性生產線上運行調試，設備動作順暢、性能穩定、可靠性高。全自動沖壓加工生產線相比傳統的單機人工送料生產．有著諸多優勢：生產效率高，安全可靠性強，降低了生產成本。
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